Шарльер

Жак Алекса́ндр Сеза́р Шарль 1820.

Воздушные шары и дирижабли. * 1. Аэростат Монголфье. * 2. Аэростат Шарля. * 3. Аэростат Бланшара. * 4. Аэростат (bal. captif) Жиффара. * 5. Аэростат (свободный) Жиффара. * 6. Аэростат Дюпюи де Лом. * 7. Аэростат Генлейна. * 8. Аэростат Ренара и Кребса. ^[1]

Шарлье́р — аэростат, наполненный водородом, гелием или другими газами легче воздуха. Назван по имени французского учёного и изобретателя Жака Александра Сезара Шарля. Аэростат объёмом 25 м³ совершил свой первый полёт 27 августа 1783 года при стечении 300 тыс. зрителей на Марсовом поле в Париже. Первый полёт «шарльёра» с экипажем (Шарль, Жак Александр Сезар и М. Н. Робер) состоялся 1 декабря 1783 года в Париже. Французский профессор физики Жак Шарль считал, что дымный воздух — это не лучшее решение, ведь горячий воздух, остывая, теряет подъемную силу, чего нельзя сказать о водороде, так как он изначально легче воздуха. Жак Шарль использовал лёгкую шелковую ткань, смоченную раствором каучука в скипидаре, в качестве оболочки, способной длительное время держать летучий газ.

Наполнение

Для того, чтобы шарльер поднялся в воздух, газ должен быть легче воздуха. При заданной температуре и давлении плотность газа пропорциональна молекулярному весу. Для того, чтобы газ был легче воздуха, его молекулярный вес должен быть ниже 28,7. Грузоподъёмность пропорциональна разности между 28,7 и молекулярным весом газа. Веществ с молекулярным весом ниже 29 и газообразных при комнатной температуре, немного:

• Водород. Молекулярный вес 2. Высокая грузоподъёмность, безвреден, недорог, но взрывоопасен. Широко применяется для беспилотных шарльеров.
• Гелий. Молекулярный вес 4. Высокая грузоподъёмность, безвреден, безопасен, но дорог. Широко применяется для пилотируемых шарльеров.
• Неон. Молекулярный вес 20. Безвреден, безопасен, дешевле гелия, но из-за высокого атомного веса грузоподъёмность втрое ниже, чем у гелия. Применяется ограниченно.
• Метан. Молекулярный вес 16. Горюч. Применяется ограниченно.
• Аммиак. Молекулярный вес 17. С резким запахом, ядовит, слегка горюч. Применяется ограниченно, для метеозондов.
• Фтороводород. Молекулярный вес 21. Крайне ядовит (смертельная концентрация — сотые доли процента; в меньших концентрациях вызывает ожоги кожи и органов дыхания). Химически агрессивен (прожжёт почти любую оболочку). Не применяется.
• Ацетилен (C₂H₂). Молекулярный вес 26. Очень легко воспламеняется. Не применяется.
• Диборан (B₂H₆). Молекулярный вес 27,6. На воздухе воспламеняется самопроизвольно. Не применяется.
• Азот. Молекулярный вес 28. Безвреден, недорог, но грузоподъёмность ничтожная. Не применяется.
• Этилен (C₂H₄). Молекулярный вес 28. Не применяется по той же причине, что и азот, а также из-за горючести.
• Угарный газ (CO). Молекулярный вес 28. Не применяется по той же причине, что и азот, и из-за токсичности.

Кроме того, в качестве наполнителей предложено использовать водяной пар и в прошлом использовался светильный газ (смесь метана, этилена и водорода).

Подъёмная сила

Считая температуры газа-наполнителя и воздуха одинаковыми, подъёмную силу шарльера можно выразить формулой:

$F = \frac {29-M}{22,4}$,

Здесь F - подъёмная сила в килограммах на 1м³ газа-наполнителя при нормальных условиях.

М - молекулярный вес газа-наполнителя.

Подъёмная сила шарльера на 1м³ газа-наполнителя при нормальных условиях

Газ наполнитель	Химическая формула	Молекулярный вес	Подъёмная сила (кГ/м³)
Водород	H2	2	1,205
Гелий	He	4	1,116
Метан	CH4	16	0,580
Аммиак	NH3	17	0,536
Азот	N2	28	0,045

При равенстве температуры и давления атмосферного воздуха и газа-наполнителя, и до тех пор, пока оболочка шарльера вмещает всё начальное количество наполнителя, подъёмная сила аппарата не зависит от атмосферных условий, поскольку при отклонениях их от нормальных соотношение плотностей воздуха и наполнителя остаётся постоянным, и разница весов наполнителя и вытесняемого им воздуха не меняется. Таким образом, если подъёмная сила превышает вес оболочки, оснастки и полезного груза шарльера, он будет подниматься неограниченно. Предел этому может наступить по следующим причинам:

1. экипаж выпускает из оболочи часть наполнителя, или он, расширившись вследствие понижения атмосферного давления, сам частично вытекает через нижнюю горловину оболочки;
2. герметичная, упругая оболочка (например, детского шарика, наполненного гелием, или метеозонда), растягиваясь при расширении наполнителя, оказывает на него дополнительное давление, вследствие чего он расширяется в меньшей степени, чем атмосферный воздух, и разница плотностей наполнителя и воздуха, а, следовательно, и подъёмная сила шарльера, уменьшается;
3. в верхних слоях атмосферы, в которые поднимаются стратостаты, молекулярный состав воздуха изменяется: уменьшается доля более тяжёлых фракций, главным образом — кислорода. Вследствие этого средний молекулярный вес воздуха уменьшается, что ведёт к снижению подъёмной силы стратостата.

См. также

• Монгольфьер

Примечания

1. ↑ Рисунок из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона, 1890—1907 г.